【摘 要】
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内转式进气道作为一种超/高超声速飞行器常用的进气形式,在一体化布局条件下,发生于进气道前缘的弯曲后掠压缩拐角激波/湍流边界层干扰(CSCR-SWTBLI,Curved Swept Compression Ramp-Shock Wave/Turbulence Boundary Layer Interaction)现象具有变强度干扰、变后掠角干扰、离心力作用显著及双侧耦合干扰等特点,其将导致进气道口部
【基金项目】
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国家自然科学基金青年基金(51806102):内转式进气道中弯曲后掠激波/边界层干扰机理与预测方法研究;
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内转式进气道作为一种超/高超声速飞行器常用的进气形式,在一体化布局条件下,发生于进气道前缘的弯曲后掠压缩拐角激波/湍流边界层干扰(CSCR-SWTBLI,Curved Swept Compression Ramp-Shock Wave/Turbulence Boundary Layer Interaction)现象具有变强度干扰、变后掠角干扰、离心力作用显著及双侧耦合干扰等特点,其将导致进气道口部发生流动分离,对进气道的性能产生不利影响,并且这种干扰模式明显区别于传统的准二维形式的压缩拐角激波/边界层干扰和斜激波/边界层干扰,难以直接用现有的理论和经验模型对其展开准确描述。为了将这种干扰现象从复杂的进气道流场中剥离出来,本文抽象出了物理简化模型,并将其分为单侧无耦合、双侧耦合干扰两个步骤进行分析。本文将通过高精度仿真方法及小尺度风洞实验方法对这种三维特性显著的流动现象展开研究。首先,采用IDDES方法对单侧无耦合及双侧耦合CSCR-SWTBLI流场结构进行了对比研究,发现对于单侧干扰模式下,由于弯曲后掠段的展向压力梯度作用,旋涡主要沿着弯曲后掠压缩拐角前缘向斜后方扫掠及发展,而对于双侧干扰模式,边界层明显向中心汇聚,导致低能流主要集中在中心面附近,且由于双侧壁的耦合作用,沿着拐角前缘扫掠的众多旋涡在中心面处汇聚成主旋涡向下游发展。此外,对比分析了两种干扰模式典型截面的边界层内部旋涡发展规律,发现单侧模式的边界层内部旋涡运动速度显著大于双侧模式,并且从展向截面观察到双侧干扰的中心面处在任意时刻都聚集着较大尺度的涡包结构。其次,对比分析了单/双侧CSCR-SWTBLI的动态特性,获得了两种干扰模式下分别沿流向及展向的压力脉动值及时均压力的分布特性,并通过设置关键监控点,对压力信号进行频谱分析,发现分离区内部以低频特征为主,且相比于单侧模式,双侧干扰模式分离区的低频优势更加明显。然后,采用壁面油流技术及IC-PLS技术对典型状态下的单侧无耦合CSCR-SWTBLI进行流场显示实验研究,获得了壁面流场时均结果及空间流场切片精细结构。发现分离区呈现出一种独特的“弯刀形”形式,并出现了二次分离现象;分离区内部旋涡受弯曲后掠段的影响出现不同程度的偏转;并研究了分别在不同来流边界层厚度及攻角条件下的流场特性,发现这种横向流动与分离区大小相关。最后,通过“前、侧、上”三个观测角度并结合多观测位置的IC-PLS技术,捕捉到了CSCR-SWTBLI流场中的类高特勒涡(GLV,G?rtler-Like Vortices)结构,获得了其多项特征,并结合壁面油流观测到的流场结果,采用高特勒数(GT数)及Floryan数(F数)判定准则,判定了本文研究的CSCR-SWTBLI流场中GLV结构的存在性。
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